民用飞机翼面前缘的抗鸟撞结构设计思路探讨

杨高

摘 要：该文从鸟体撞击机体结构的原理出发，研究撞击时结构的响应方式，得到结构防护的重点设计方向；在鸟撞失效准则的指导下，结合鸟撞特点，对结构进行选型方向的确定、材料选用以及结构参数的分析，并通过实例说明关于鸟撞击体的情况。

关键词：前缘 结构设计 鸟撞

中图分类号：V211 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（b）-0008-02

鸟撞是一种突发性和多发性的飞行事故，轻则导致结构部件的损伤，重则引发机毁人亡的灾难[1]，国际航空联合会将鸟害定义为“A”类航空灾难[2]。在已统计的鸟撞事故中，固定类前缘发生鸟撞行为的概率仅排在发动机、风挡之后[3]。

由于鸟撞引起的巨大损失，各国政府和科研机构对鸟撞问题均进行了深入研究，比较著名的有国际鸟撞委员会（IBSC）、欧洲鸟撞委员会（BSCE）和美国鸟撞委员会（BSC-USA）等。就鸟撞的研究分为主动防御与被动防护两个方面：一方面研究如何避免鸟撞事故的发生；另一方面侧重研究提高飞行器结构抗击鸟撞的能力。

国内，李玉龙、宋春燕等从理论原理、结构设计及行业要求等不同方面都对前缘鸟撞问题进行了研究，飞机强度所等业内单位完善了相关试验标准等[4]，这些工作都对结构设计专业有了具体的指导意义。但总的来说，我国对于飞机鸟撞问题研究起步晚，型号支持较弱，目前处于摸索、追赶阶段。

对结构设计而言，翼面前缘需同时满足结构重量与安全性的要求。因此应在对适航条款解读的基础上，对鸟撞行为进行详细分析，确定鸟撞行为对结构参数的影响，进行有针对性的结构设计。

1 适航条款分析

鸟撞行为分析中，首先需要确定的决定因素是飞机能接受的鸟撞失效判据。为确保飞行安全，CCAR-25部适航条款§25.571（结构的损伤容限和疲劳评定）（e）、§25.631（鸟撞损伤）分别规定了机翼、尾翼结构抗鸟撞的设计要求，机翼考核用1.8 kg重鸟体，尾翼考核用3.6 kg重鸟体。规章内容包括了结构损伤和系统保护两种情况：

（1）当前缘后方布置有整体油箱时，应能承受应当保证飞机以海平面巡航速度Vc飞行时发生1.8 kg/3.6 kg的飞鸟撞击，不允许前梁损伤或变形。

（2）当前缘内装有液压、操纵系统的管路和设备时，应能承受飞机以海平面巡航速度Vc飞行时发生1.8 kg/3.6 kg的飞鸟撞击，前缘和前梁不被击穿（或变形过大）。

（3）当前缘内不含液压、操纵系统的管路和设备时，应能承受飞机以海平面巡航速度Vc飞行时发生1.8 kg/3.6 kg的飞鸟撞击，允许前缘、前梁腹板出现穿孔损伤，但这些破坏不会导致飞机飞行性能严重变坏和结构总体强度降低到不安全水平。

具体的抗鸟撞性能指标应在飞机专用技术条件中明确提出。

2 鸟撞原理

当鸟体对结构的撞击速度小于50 m/s（以下简称“Ⅰ类撞击”）时，结构主要是弹性变形及局部塑性变形；当撞击速度在50～500 m/s（以下简称“Ⅱ类撞击”）时，结构呈塑性变形（撞击过程中应变速率作为撞击速度函数的简单分类，撞击速度的范围被当作参考点，实际上由于撞击加载下的变形过程除了取决于撞击速度外还有其他加载参量的影响，所以区分界限并不是很明显。近年来也有将70 m/s作为区分Ⅰ类撞击与Ⅱ类撞击的临界速度），此时由于鸟体急剧减速而产生的巨大应力远远超过鸟体材料的屈服强度，使得鸟体产生大变形并呈现高速冲击下的流体力学行为特征[5]，结构传载通路无法及时响应导致瞬间破坏。

Ⅰ类撞击时，由于相对速度较低，鸟体与结构接触时间长，鸟体携带的动能和冲量一般为结构所接受，结构阻尼效果较为显著。即使蒙皮凹陷或穿透、撕裂，由于结构的传载通路完整，能够进行能量的分流。

Ⅱ类撞击时，鸟撞问题实质是流体和结构耦合动力响应问题，载荷与变形是相互影响且不断变化的。鸟撞行为作用时间较短（一般认为在5～8 ms之间），结构处于大变形非线性状态，材料处于非线性弹塑性状态且处于动平衡状态，破坏行为更多认为是瞬间撞击，表现为高度非线性的冲击动力学现象。鸟体携带的动能和冲量巨大，结构的传载性能无法瞬时响应，此时更多的依赖于材料的强度响应。

因此，鸟撞过程的研究多针对Ⅱ类撞击进行。

3 结构响应

蒙皮作为鸟撞的直接接触点，吸收鸟撞能量并抛飞鸟体，是结构抗鸟撞的主要构件；前缘内部弦向结构件主要用于维持前缘剖面形状及提高结构的抗失稳能力，由于弦向剖面积小，对结构抗鸟撞能力的贡献不大。因此设计重点应为前缘蒙皮的材料选用及厚度选择。

当Ⅱ类撞击发生时，冲击速度快，鸟体携带的动能和冲量巨大，结构的传载性能无法瞬时响应，此时更多的依赖于材料的强度响应。理论上，材料强度越高，塑性越好，受破坏程度越小，但材料的高强度带来的材料高比刚度导致了材料的脆性提高，韧性降低，结果呈现结构快速撕裂，受冲击破坏程度反而有所升高；低强度材料鸟撞结果与高强度材料鸟撞结果基本相反。当前缘结构的材料内力无法将能量抵消完，则结构彻底被撕裂，此时鸟体继续撞击盒段前梁，从而影响主结构安全。

Ⅱ类撞击发生时，材料在短时间内承受高速冲击产生的动态载荷，材料性能为动态性能且呈非线性变化，应变水平在102～104/s左右。材料的动态性能受應变率影响很大，高应变率会提高材料的屈服应力，加载速率越高，材料的屈服应力值也越高，材料在高应变率下产生的强化效应对延长鸟体在结构上的滞留时间、消耗鸟撞能量等有极大改观，因此，材料选用应围绕具有较好强化效应的材料进行。

出于研发成本考虑，各飞机公司在型号预研阶段多采取能量法进行结构参数的预估。能量法是从能量的角度考虑鸟体撞击时穿透蒙皮或腹板需要多少动能，即鸟体的动能是否大于穿透蒙皮或穿透蒙皮和腹板所需动能。动能不但与鸟体质量有关，同时也与鸟体与机体的相对速度有关。用不同牌号铝合金制造的蒙皮，穿透速度相差不大。

有关资料对各大飞机制造商利用穿透速度在型号设计初级阶段的蒙皮厚度预估方法做了详细的论述，分析发现各大飞机制造商的预估方法与实际试验测得数据相差7%左右，对于鸟撞穿透速度的工程计算而言，精度满足要求。但应注意的是：各预估方法仅针对蒙皮不被穿透，具体设计应在计算结果的基础上，对适用的鸟撞失效判据进行分析，避免不必要的重量损失。

4 结语

高速飞行的鸟体对飞机翼面前缘结构的撞击过程极为复杂，尚没有能够完整描述该过程的分析/计算方法出现。但以适航规章为出发点进行鸟撞过程的分析，得到翼面前缘内部结构对结构抗鸟撞贡献不大、重点防护应放在蒙皮类结构的设计上的思路，应在此基础上进行不断的细化，最终得到满足要求的翼面前缘抗鸟撞结构设计方案。

参考文献

[1] 周加良.飞机鸟撞事故及预防[J].洪都科技，1997（1）：40-50.

[2] 魏岳江.不可思议的航空灾难[J].国防科技，2003（12）： 87-88.

[3] 龚伦.飞机结构的抗鸟撞设计与分析[D].西安：西北工业大学，2011.

[4] 中华人民共和国工业和信息化部.HB 7084-2014，民用飞机结构抗鸟撞设计与试验通用要求[S].北京：中国航空综合技术研究所，2014.

[5] D.Bonamy， F.Daviaud， L.Laurent. Experimental study of granular floes via a fast camera： A continuous description[J].Physics of Fluids， 2002（14）：1666-1673.